《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Semi-continuous fermentation of food waste wastewater into liquid organic fertilizer using an adapted lactic acid bacteria consortium under pasteurization
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高效处理高盐高脂食品废水并转化为液体有机肥的循环技术，基于定制乳酸菌联合体半连续发酵工艺，实现72小时快速酸化（pH 3.8）、46.9%固形物减量及25.2g/L有机酸（16.9g/L乳酸），稀释后作为生物刺激剂显著提升小白菜发芽率（142.1%）和生物量（64.2%），根际微生物群落重构揭示营养-微生物协同机制。
王伟伟|康月华|贾景轩|严静|严玉辰|何慧班|何浩星|张鹏|王宏亮|文博婷|崔宗军|袁旭峰
中国农业大学农学与生物技术学院生物质工程中心，北京 100193
摘要
食物废弃物废水（FWW）具有高盐度和高脂质含量，这对传统的生物处理工艺来说是一个重大挑战。本研究提出了一种创新的循环解决方案，通过定制的乳酸菌（LAB）菌群将FWW升级为高价值的液态有机肥料。通过采用节能巴氏杀菌技术和1/2的替换比例进行半连续发酵，我们实现了废水的有效稳定和资源回收。优化后的工艺能够在72小时内快速酸化（pH值降至3.8），总固体含量减少了46.9%，总有机酸浓度达到25.2克/升（其中16.9克为乳酸）。放大实验过程中，系统表现出优异的稳定性：pH值保持在3.8–3.9之间，活菌计数约为10^10 CFU/mL，代谢活动也保持稳定。重要的是，稀释200倍的发酵液消除了植物毒性，并且作为一种有效的生物刺激剂，显著促进了小白菜的发芽（发芽指数提高了142.1%）和植株生物量的增长（增加了64.2%）。根际微生物组分析显示社区结构发生了明显变化，这表明观察到的生长促进作用可能涉及“营养-微生物”之间的协同作用，这种作用结合了直接的营养供给和有益微生物的重塑。我们的工作为食物废弃物管理提供了一种实用、低碳且循环的技术途径，有效弥合了废物处理与可持续农业之间的差距。
引言
在全球城市化背景下，食物废弃物的可持续管理面临诸多挑战。由于人口结构的变化和全球经济繁荣的推动，全球每年产生的废弃物总量已达到约13亿吨[6]。据预测，到2026年，中国的废弃物产生量将达到1.8亿吨[13]、[15]、[26]。在集中处理食物废弃物的过程中，热处理和三相分离会产生大量的食物废弃物废水（FWW）。尽管FWW富含碳水化合物、氨基酸、氮和磷等营养物质[7]，但其高盐度（电导率>10 mS/cm）和高脂质含量[24]使其难以被传统生物处理工艺有效处理。如果直接排放，会导致富营养化和土壤污染，威胁环境安全和粮食安全[1]、[8]。因此，开发能够适应这些恶劣条件并同时实现高价值资源回收的高效、适应性强的处理技术是一个亟待解决但尚未充分发展的领域。目前，厌氧消化（用于液态废弃物）和好氧堆肥（用于固态废弃物）是最广泛使用的技术[15]、[31]。然而，这两种技术存在显著局限性：厌氧消化产生的消化物难以进一步处理[11]，而好氧堆肥需要较长的处理周期和严格的原料比例[4]。乳酸菌（LAB）发酵作为一种有前景的替代方案最初被用于固态废弃物处理，因为它能快速产酸（pH值低于4.0），从而抑制腐败微生物的生长[28]。然而，在实际FWW中的应用仍存在关键缺口。现有研究主要集中在固态FWW的处理上，或使用非特异性的商业单一乳酸菌菌株处理合成废水，这些方法在面对复杂且具有抑制性的高盐度、高脂质FWW时往往效率低下且运行不稳定[13]。根本原因是缺乏专门适应这种特殊环境的微生物菌群。因此，筛选具有功能性的、能够适应压力环境的LAB菌群，并开发相应的低能耗（如通过巴氏杀菌）发酵工艺，对于实现有效的、可扩展的FWW处理至关重要。
与单一菌株相比，设计的微生物菌群利用功能互补性来增强系统的稳定性和底物转化效率[37]。我们的初步研究表明，特定的LAB菌群能够在实际FWW中实现快速酸化（72小时内pH值降至4.0以下）和有效的脂质降解，优于单一菌株。虽然LAB发酵液富含有机酸和具有资源回收潜力的活性微生物[12]，但其作为液态有机肥料的直接应用尚未得到充分探索。仍存在许多知识空白，阻碍了其从处理后的废水转化为可靠农业投入品的进程：(i) 安全的农业稀释阈值以避免植物毒性；(ii) 其促进植物生长的微生物生态机制（超越单纯的营养供给）；(iii) 它在塑造根际生态系统中的功能作用。
为解决这些难题，本研究建立了一条集处理和回收于一体的路径，将高盐度、高脂质的FWW直接转化为液态有机肥料。我们假设经过专门筛选的强健LAB菌群能够在节能巴氏杀菌条件下实现高效发酵，并且由此产生的发酵液可以通过“营养-微生物”之间的协同作用促进植物生长。我们的目标是：(1) 优化批次和半连续发酵工艺，以实现稳定运行和高乳酸产量；(2) 通过植物毒性测试和盆栽实验确定发酵液作为肥料的可行性和最佳安全稀释比例；(3) 研究促进植物生长的机制基础，重点关注根际微生物组的重塑。这项工作旨在为FWW管理提供一种系统的、低碳的解决方案，推动其从废物流向循环经济组成部分的转变。
材料
FWW由宁夏银川宝绿科技有限公司提供。该样品是通过食物废弃物的湿热预处理后进行三相分离得到的液体部分。收集后，样品在-20°C下储存。使用前，样品在4°C下逐渐解冻并充分混合以确保均匀性。主要理化性质见表1。
本研究中使用的LAB菌群SLP-1和ASLP-2由我们的团队开发和保存
批次发酵工艺优化与机制分析
通过研究灭菌和初始pH值对FWW的理化性质、代谢产物和微生物群落结构的影响，系统评估了乳酸菌发酵的性能。结论
本研究成功开发了一种集成工艺，利用自筛选和适应性强的乳酸菌（LAB）菌群SLP-1将食物废弃物废水（FWW）升级为液态有机肥料。我们证明了通过工艺优化，可以在批次发酵中实现废水的有效稳定和高乳酸产量。随后在半连续系统中进行放大实验，采用节能巴氏杀菌技术和1/2的替换比例，进一步验证了该工艺的长期稳定性
作者贡献声明
王宏亮：指导。文博婷：撰写 – 审稿与编辑，指导。何浩星：实验研究，数据分析。张鹏：撰写 – 审稿与编辑。崔宗军：指导。袁旭峰：指导，资源协调。王伟伟：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，实验研究，数据管理。康月华：撰写 – 初稿撰写，实验研究，数据分析。严玉辰：数据管理。何慧班：撰写 – 审稿与编辑。贾景轩：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了山东省重点研发计划（2024SFGC0405）、山东省和北京市用于建设中国农业大学-山东曹县现代农业与工业研究院的农业补贴专项资金，以及北京市现代农业产业技术创新团队（BAIC08-2025-FQ02）的支持。
